От фотона к вольту: Как работает солнечная батарея?
Введение: Солнечная энергия в полупроводнике
Будь то солнечная установка, солнечный модуль или солнечная батарея: во всех этих терминах присутствует слово «солнечный» – от латинского «solaris», что означает «относящийся к солнцу». Теплые солнечные лучи нашего светила, помимо жизненно важной функции, также имеют огромную техническую ценность.
В основе каждой фотовольтаической установки лежит одна и та же идея: световая энергия непосредственно преобразуется в электрическую. Это возможно благодаря тому, что специальные полупроводники, такие как кремний, могут высвобождать электроны при попадании света. В этой статье вы узнаете, как именно происходит этот процесс.
Фотоэлектрический эффект: Основы
При фотоэлектрическом эффекте под воздействием падающих фотонов (частиц света) электроны выбиваются из своих атомных орбит при определенных условиях материала. Но как из света получается полезный ток? Здесь вступает в игру P-N-переход.
Что такое P-N-переход?
P-N-переход описывает границу между двумя различными полупроводниковыми материалами с особыми проводящими свойствами. Эта граница возникает благодаря так называемой легировке – целенаправленному введению примесных атомов в кремний:
- P-легированный кремний (например, с бором): Имеет свободные места для электронов, действует как положительная сторона (акцепторные атомы)
- N-легированный кремний (например, с фосфором): Имеет свободные электроны, действует как отрицательная сторона (донорные атомы)
- Зона пространственного заряда: На границе между P- и N-областями возникает электрическое поле, ответственное за разделение зарядов
Свободные электроны на границе N-элемента перемещаются на свободные места для электронов P-элемента. Таким образом, в границе возникает электрическое поле.
От фотона к напряжению: Процесс шаг за шагом
С помощью следующих шагов можно объяснить весь процесс от фотона к вольту:
- Фотон попадает на границу: Частица света достигает P-N-перехода или его окрестностей
- Электрон высвобождается: Фотон передает свою энергию электрону, который высвобождается из атома, оставляя позади положительно заряженное «отверстие»
- Разделение зарядов: Электрическое поле зоны пространственного заряда перемещает электроны к N-стороне и отверстия к P-стороне
- Возникает напряжение: Благодаря пространственному разделению зарядов возникает полезное электрическое напряжение
- Ток течет: При подключении потребителя течет электрический ток – можно использовать бытовые приборы, тепловые насосы или другие приложения
Эйнштейн и фотоэлектрический эффект
Что многие не знают: Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию не за всемирно известную теорию относительности с формулой E=mc², а за объяснение фотоэлектрического эффекта в 1921 году. Фотоэлектрический эффект является частным случаем фотоэлектрического эффекта.
Без открытий Эйнштейна современные технологии, такие как смартфоны, интернет, микрочипы и, конечно, фотовольтаические установки, были бы невозможны.
Важные показатели солнечной батареи
КПД модуля
КПД показывает, какая часть падающей солнечной энергии фактически преобразуется в электрическую:
- Монокристаллические модули: 18–24% (наивысший КПД)
- Поликристаллические модули: 15–20% (хорошее соотношение цена/качество)
- Тонкопленочные модули: 8–15% (легкая интеграция, гибкие применения)
- Экспериментальные ячейки: До 47% в лаборатории (тандемные солнечные элементы)
Для сравнения: старая лампа накаливания преобразует только около 5% энергии в свет – остальное теряется в виде тепла.
Температурный коэффициент
Повышение температуры модуля снижает напряжение и, следовательно, мощность. Типичные значения:
- При повышении температуры на 1°C мощность снижается примерно на 0,3–0,5%
- При температуре модуля 40°C вместо 25°C (стандартное условие) модуль теряет уже 4,5–7,5% мощности
Затенение и байпасные диоды
Частичное затенение модуля значительно снижает ток – не только пропорционально затененной площади. Байпасные диоды ограничивают эти потери, обходя затененные ячейки.
Обзор выбора материалов
| Технология | КПД | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|
| Монокристаллические | 18–24% | Высочайшая эффективность, долгий срок службы | Более высокая стоимость |
| Поликристаллические | 15–20% | Дешевле, проверенная технология | Несколько меньшая эффективность |
| Тонкопленочные | 8–15% | Гибкие, легкие, устойчивы к частичному затенению | Наименьший КПД |
Заключение
Кратко: Солнечная батарея – это сердце каждой фотовольтаической установки. Благодаря фотоэлектрическому эффекту и умной конструкции из легированных полупроводников солнечный свет непосредственно преобразуется в электрический ток.
Следующий шаг: Устройство солнечной установки: от модуля до подключения
Источники и дополнительная информация
- Электрокомпендий: Полупроводники и легирование
- LeifiPhysik: Кремниевые солнечные батареи
- HTW Berlin: Руководство по эффективности для PV-систем хранения
- Solarwissen: Легирование просто объяснено
Рассчитайте сейчас доходность от солнечной энергии
Наш бесплатный Солнечный калькулятор рассчитывает с использованием актуальных данных PVGis ожидаемую выработку электроэнергии, собственное потребление и экономическую эффективность вашей фотовольтаической установки.